(57)【要約】      （修正有）【課題】量子ドット体として機能する微粒子の酸化がより確実に抑制された半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置２０は、半導体基板１と、半導体基板１上に設けられたトンネル絶縁膜３と、トンネル絶縁膜３上に間隔を空けて配置された酸化数が増加しない酸化物半導体からなる微粒子４と、トンネル絶縁膜３上に設けられ、微粒子４を埋め込むＳｉＯ2からなる絶縁膜５と、絶縁膜５上に設けられたコントロールゲート６とを備えている。量子ドットとして機能する微粒子４が製造工程中あるいは製造後に酸化されて絶縁体となることがないので、半導体装置は歩留まり良く製造され、且つ信頼性が向上している。【選択図】図１
2006269660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に設けられた第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上に設けられたゲート電極と、
前記第１の絶縁膜のうち少なくとも前記ゲート電極の直下に位置する領域上に配置され、前記第２の絶縁膜に埋め込まれた酸化物半導体または酸化物導電体からなる微粒子と、
平面的に見て、前記ゲート電極の直下に配置された前記微粒子の両側方に位置する領域に設けられた半導体からなる不純物拡散層と
を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記微粒子は、Ｃｏ3Ｏ4からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記微粒子は、酸化数が増えない酸化物半導体または酸化数が増えない酸化物導電体からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記微粒子は、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＩｎxＳｎyＯ（ｘ＞０、ｙ＞０）、ＺｎＯのうち
から選ばれた１つからなることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記微粒子の形状および粒径は均一であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記微粒子は量子ドットとして機能することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記不純物拡散層は、前記基板のうち、前記微粒子の両側方に位置する領域内に設けられており、
動作時には、前記第１の絶縁膜を介してキャリアのトンネリングが生じることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１の絶縁膜のうち前記ゲート電極の直下に位置する領域上には複数個の前記微粒子が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記不純物拡散層は、前記第１の絶縁膜上に設けられ、且つ前記第２の絶縁膜内に埋め込まれており、
動作時には、前記第２の絶縁膜を介したトンネリングにより前記不純物拡散層のそれぞれと前記微粒子との間をキャリアが移動することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第１の絶縁膜のうち前記ゲート電極の直下に位置する領域上には前記微粒子が一個のみ配置されていることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
基板上に形成された第１の絶縁膜上に、酸化物半導体または酸化物導電体からなる微粒子を形成する工程（ａ）と、
前記微粒子を埋める第２の絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、
前記絶縁膜上に電極を形成する工程（ｃ）と
を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記工程（ａ）の前に、かご状タンパク質の内部に酸化物半導体または鉄酸化物を除く
酸化物導電体からなる前記微粒子を形成させて微粒子−かご状タンパク質複合体を作製する工程（ｄ）と、
前記工程（ａ）の前に、前記微粒子−かご状タンパク質複合体を前記第１の絶縁膜上に配置する工程（ｅ）とをさらに備え、
前記工程（ａ）は、前記微粒子−かご状タンパク質複合体のうちタンパク質部分を除去して前記微粒子を残す工程を含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記かご状タンパク質はアポフェリチンであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記微粒子は、Ｃｏ3Ｏ4からなることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記微粒子は、酸化数が増えない酸化物半導体または酸化数が増えない酸化物半導体からなることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記微粒子は、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＩｎxＳｎyＯ（ｘ＞０、ｙ＞０）のうちから選ば
れた１つからなることを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記工程（ｃ）の後に、前記ゲート電極をマスクとして不純物を前記基板に注入することにより、前記基板のうち、平面的に見て前記ゲート電極および前記微粒子の両側方に位置する領域に不純物拡散層を形成する工程（ｆ）をさらに備えていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記工程（ａ）の前に、前記第１の絶縁膜上に半導体からなる一対の不純物拡散層を形成する工程をさらに備え、
前記工程（ａ）では、前記一対の不純物拡散層の間に、前記一対の不純物拡散層のそれぞれと間隔を空けて前記微粒子が配置されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
かご状タンパク質の内部に酸化物半導体または酸化物導電体からなる前記微粒子を形成させて微粒子−かご状タンパク質複合体を作製する工程（ａ）と、
前記微粒子−かご状タンパク質複合体を、第１の絶縁膜が形成された基板上に配置する工程（ｂ）と、
前記微粒子−かご状タンパク質複合体のうちタンパク質部分を除去することにより、前記第１の絶縁膜上に、酸化物半導体または酸化物導電体からなる微粒子を形成する工程（ｃ）と、
前記微粒子を埋める第２の絶縁膜を形成する工程（ｄ）と、
前記第２の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程（ｅ）と
を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドット体として機能するナノメータサイズの微粒子を用いた半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属や半導体からなる微粒子をフローティングゲートとして有し、情報の書き込みや消去が可能な半導体装置が従来から提案されている。特に、ナノメータサイズの微粒子にトンネル効果により電荷が保持されるＭＯＳ型半導体記憶装置においては、クーロン・ブロッケード現象を利用して安定に情報を保持することが可能になっている。このような半導体記憶装置の製造方法の一例が特開２００３−０８６７１５号公報（特許文献１）などに記載されている。
【０００３】
図９（ａ）〜（ｅ）は、従来の半導体記憶装置の製造方法を示す断面図である。
【０００４】
まず、図９（ａ）に示すように、基板１０１上に厚さ１．５ｎｍ以上４ｎｍ以下程度の絶縁膜１０３ａおよび素子分離用絶縁膜１０２を形成する。その後、表面処理膜１３３を介して基板上にフェリチン１３２を２次元状に配置する。ここで、フェリチン１３２は、２４個の同一のサブユニットからなる外殻と、外殻の内部に保持される鉄酸化物（Ｆｅ2
Ｏ3）の水和物からなる球状のコア１３１とで構成される金属化合物−タンパク質複合体
である。フェリチン１３２の外径は１２ｎｍ程度で、コア１３１の直径は６ｎｍ程度である。なお、フェリチンからコア１３１が抜けた状態のものはアポフェリチンと呼ばれる。
【０００５】
次に、図９（ｂ）に示すように、基板１０１のフェリチン１３２を配置した面を窒素ガス雰囲気中４５０℃で１時間処理することにより、フェリチン１３２の外殻を除去する。あるいは、１００℃〜１５０℃でオゾン処理を行うことによってもフェリチン１３２の外殻を除去することができる。
【０００６】
続いて、図９（ｃ）に示すように、基板１０１を水素等の還元ガス雰囲気中、４００℃〜５００℃で１時間程度処理することで、Ｆｅ2Ｏ3の水和物からなるコア１３１をＦｅ原子からなる微粒子１０４に還元する。
【０００７】
次に、図９（ｄ）に示すように、ＣＶＤ法あるいはスパッタ法により、基板上に微粒子１０４を埋めるＳｉＯ2膜１０５ａを堆積する。
【０００８】
その後、図９（ｅ）に示すように、基板上にＡｌ（アルミニウム）膜を堆積した後、絶縁膜１０３ａ、ＳｉＯ2膜１０５ａおよびＡｌ膜をパターニングしてトンネル絶縁膜１０
３、酸化膜１０５およびＡｌ電極１０６をそれぞれ形成する。続いて、基板１０１のうちＡｌ電極１０６の両側方に位置する領域にソース領域１０７ａおよびドレイン領域を形成した後、層間絶縁膜１０８、コンタクトホール１０９、Ａｌ配線１１１ａ、１１１ｂなどを形成する。
【０００９】
上述の方法によれば、均一なナノメータサイズの微粒子をフローティングゲートとして配置することができるので、微粒子１０４の酸化または還元状態を均一にすることができ、歩留まり良く半導体記憶装置を製造することができる。
【特許文献１】特開２００３−０８６７１５号公報（第１図、第１２図）
【特許文献２】特開２００２−０１６０６３号公報
【特許文献３】特表２００１−５２７２９７号公報
【特許文献４】特開２０００−０２２００５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の製造方法では、図９（ｃ）に示す還元処理によって作製した導電性の微粒子１０４が、大気暴露やＳｉＯ2膜１０５ａの成膜時の初期過程において再
び酸化される場合があった。Ｆｅ原子が酸化されてＦｅ2Ｏ3になると、絶縁体となる。このため、従来の方法で製造された半導体記憶装置は、ＳｉＯ2膜１０５ａに埋め込まれた
微粒子１０４が酸化によって電荷を保持できなくなり、半導体記憶装置として十分な機能を発揮できなくなる可能性があった。
【００１１】
本願発明者らは、上記の不具合に対する解決策として、微粒子１０４を埋めるＳｉＯ2
膜１０５ａの堆積後に基板を還元雰囲気下で還元することを考えた。この処理によって微粒子１０４の再酸化は抑制される。
【００１２】
しかし、ＦｅあるいはＦｅＯ中のＦｅはいろいろな酸化数を持つため、酸素が存在する環境ではその酸化数が不安定になる傾向がある。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、量子ドット体として機能する微粒子の酸化による変質がより確実に抑制される半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記従来の課題を解決するために、本発明の半導体装置は、基板と、前記基板上に設けられた第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に設けられた第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜上に設けられたゲート電極と、前記第１の絶縁膜のうち少なくとも前記ゲート電極の直下に位置する領域上に配置され、前記第２の絶縁膜に埋め込まれた酸化物半導体または酸化物導電体からなる微粒子と、平面的に見て、前記ゲート電極の直下に配置された前記微粒子の両側方に位置する領域に設けられた半導体からなる不純物拡散層とを備えている。
【００１５】
この構成によれば、微粒子が鉄酸化物を除く酸化物半導体または鉄酸化物を除く酸化物導電体からなっているので、微粒子が非常に酸化されにくくなっており、酸素分子の存在下で熱などが加わっても微粒子の電気的特性はほぼ変化しない。そのため、本発明の半導体装置は、絶縁膜が酸化シリコン膜である場合でも、高温による製造プロセスで性能が劣化しにくくなっており、歩留まりよく生産される。また、本発明の半導体装置は微粒子の酸化数が増えにくい（酸化が起こりにくい）ので、従来よりも製品寿命が長くなっている。
【００１６】
微粒子の材料としては、Ｃｏ3Ｏ4などの酸化数が増えにくい半導体の他、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＩｎxＳｎyＯ（ｘ＞０、ｙ＞０）、ＺｎＯなどの高温下でも酸化数が増えない酸
化物半導体または酸化物導電体を用いることが好ましい。
【００１７】
前記微粒子の形状および粒径は均一であることが好ましい。
【００１８】
前記微粒子が量子ドットとして機能することにより、微粒子が安定に電荷を保持できるので、微細な半導体記憶装置や単電子デバイスなどを実現できる。
【００１９】
前記不純物拡散層は、前記基板のうち、前記微粒子の両側方に位置する領域内に設けられており、動作時には、前記第１の絶縁膜を介してキャリアのトンネリングが生じること
により、トンネリングにより微粒子にキャリアを注入したり微粒子からキャリアを引き抜いたりすることができるので、微小サイズの不揮発性半導体記憶装置を実現することができる。
【００２０】
前記第１の絶縁膜のうち前記ゲート電極の直下に位置する領域上には複数個の前記微粒子が設けられていてもよい。この場合、キャリアを保持できる微粒子が複数個存在することにより、動作の信頼性を向上させることができる。
【００２１】
前記不純物拡散層は、前記第１の絶縁膜上に設けられ、且つ前記第２の絶縁膜内に埋め込まれており、動作時には、前記第２の絶縁膜を介したトンネリングにより前記不純物拡散層のそれぞれと前記微粒子との間をキャリアが移動することにより、第２の絶縁膜を介して不純物拡散層と微粒子の間でキャリアを移動させることができる。そのため、本発明の半導体装置を微小なサイズのトランジスタとして機能させることが可能となる。
【００２２】
前記第１の絶縁膜のうち前記ゲート電極の直下に位置する領域上には前記微粒子が一個のみ配置されていることにより、微粒子をチャネルとし、一個の電子またはホールをキャリアとする単電子トランジスタを実現することができる。
【００２３】
本発明の第１の半導体装置の製造方法は、基板上に形成された第１の絶縁膜上に、酸化物半導体または酸化物導電体からなる微粒子を形成する工程（ａ）と、前記微粒子を埋める第２の絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、前記絶縁膜上に電極を形成する工程（ｃ）とを備えている。
【００２４】
この方法により、微粒子を絶縁膜で埋めた後に高温での製造プロセスを経ても微粒子の電気的特性をほぼ変化させずに半導体装置を製造することができる。このため、本発明の第１の製造方法によれば、半導体装置を歩留まりよく製造することができる。
【００２５】
また、前記工程（ａ）の前に、かご状タンパク質の内部に鉄酸化物を除く酸化物半導体または鉄酸化物を除く酸化物導電体からなる前記微粒子を形成させて微粒子−かご状タンパク質複合体を作製する工程（ｄ）と、前記工程（ａ）の前に、前記微粒子−かご状タンパク質複合体を前記第１の絶縁膜上に配置する工程（ｅ）とをさらに備え、前記工程（ａ）は、前記微粒子−かご状タンパク質複合体のうちタンパク質部分を除去して前記微粒子を残す工程を含んでいることが好ましい。アポフェリチンやＤｐｓタンパク質などのかご状タンパク質を用いれば、ナノメータサイズ（少なくとも１０ｎｍ以下）で且つ大きさが均一な微粒子を容易に作製することができる。このサイズの微粒子は量子ドットとして機能するので、半導体記憶装置や単電子トランジスタ、演算素子などを製造することができる。
【００２６】
前記かご状タンパク質はアポフェリチンであることが好ましい。
【００２７】
前記微粒子は、Ｃｏ3Ｏ4、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＩｎxＳｎyＯ（ｘ＞０、ｙ＞０）のう
ちから選ばれた１つからなることが好ましい。
【００２８】
前記工程（ｃ）の後に、前記ゲート電極をマスクとして不純物を前記基板に注入することにより、前記基板のうち、平面的に見て前記ゲート電極および前記微粒子の両側方に位置する領域に不純物拡散層を形成する工程（ｆ）をさらに備えていることにより、微細な半導体記憶装置を作製することができる。
【００２９】
前記工程（ａ）の前に、前記第１の絶縁膜上に半導体からなる一対の不純物拡散層を形成する工程をさらに備え、前記工程（ａ）では、前記一対の不純物拡散層の間に、前記一
対の不純物拡散層のそれぞれと間隔を空けて前記微粒子が配置されることにより、単電子トランジスタなどの微細なトランジスタを作製することができる。
【００３０】
本発明の第２の半導体装置の製造方法は、かご状タンパク質の内部に酸化物半導体または酸化物導電体からなる前記微粒子を形成させて微粒子−かご状タンパク質複合体を作製する工程（ａ）と、前記微粒子−かご状タンパク質複合体を、第１の絶縁膜が形成された基板上に配置する工程（ｂ）と、前記微粒子−かご状タンパク質複合体のうちタンパク質部分を除去することにより、前記第１の絶縁膜上に、酸化物半導体または酸化物導電体からなる微粒子を形成する工程（ｃ）と、前記微粒子を埋める第２の絶縁膜を形成する工程（ｄ）と、前記第２の絶縁膜上に電極を形成する工程（ｅ）とを備えている。
【００３１】
この場合にも微粒子は酸化数が増えにくいので、信頼性の高い半導体装置を製造することができる。なお、微粒子の構成材料としては、Ｃｏ3Ｏ4、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＩｎxＳｎyＯ（ｘ＞０、ｙ＞０）、Ｆｅ3Ｏ4などが挙げられる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、量子ドットとして機能し、酸化数が増えない（あるいは酸化数が増えにくい）酸化物半導体または酸化物導電体からなる微粒子がフローティング状態で設けられているので、微粒子の酸化による電気的特性の変化が抑えられており、信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３４】
（第１の実施形態）
−半導体装置の構成および機能−
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す半導体装置において、コントロールゲート、絶縁膜および基板によって構成されるＭＯＳキャパシタの容量−ゲート電圧特性（ＣＶ特性）を示す図である。図１（ａ）に示す半導体装置は、量子ドットを利用した不揮発性メモリセルである。
【００３５】
図１（ａ）に示すように、本実施形態の半導体装置２０は、Ｓｉなどの第１導電型の半導体からなる半導体基板１と、半導体基板１上の活性領域を囲む素子分離用絶縁膜２と、半導体基板１の活性領域上に設けられたＳｉＯ2などからなるトンネル絶縁膜３と、トン
ネル絶縁膜３上に間隔を空けて配置された酸化物半導体からなる微粒子４と、トンネル絶縁膜３上に設けられ、微粒子４を埋め込むＳｉＯ2などからなる絶縁膜５と、絶縁膜５上
に設けられたＡｌなどの導電体からなるコントロールゲート（ゲート電極）６と、半導体基板１のうちコントロールゲート６の両側方に位置する領域に設けられ、第２導電型の不純物を含むソース領域７ａおよびドレイン領域７ｂ（不純物拡散層）と、基板の全面上に設けられた層間絶縁膜８と、層間絶縁膜８に形成されたコンタクトホール９と、コンタクトホール９を埋めるプラグを介してソース領域７ａおよびドレイン領域７ｂにそれぞれ接続されるＡｌ配線１１ａ、１１ｂとを備えている。トンネル絶縁膜３の厚みは１．５ｎｍ以上４ｎｍ以下程度であり、絶縁膜５の厚みは例えば１７ｎｍ程度である。ここで、絶縁膜５が薄い方が動作電圧を低くすることができるが、微粒子４に電荷を安定して保持させるためには少なくとも絶縁膜５の厚みが１２ｎｍ以上であることが好ましい。また、微粒子４は直径が約６ｎｍの球状体であり、その中心同士の間隔が約１２ｎｍでトンネル絶縁膜３上に２次元状に配置されている。微粒子４の材料としては、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｃ
ｏ3Ｏ4、Ｆｅ3Ｏ4、ＺｎＯなどの酸化物半導体を用いることができるが、酸化数が増えにくいＩｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2およびＣｏ3Ｏ4、ＺｎＯが好ましく用いられる。特に、高温条件
下でも酸化数が増えない酸化物半導体であるＩｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＺｎＯが最も好ましく
用いられる。また、微粒子４の材料としてＩＴＯ（ＩｎxＳｎyＯ）など、酸化数が増えない酸化物導電体を用いた場合にも半導体装置にメモリとしての機能を発揮させることができる。なお、図１（ａ）に示す半導体装置の例では、ソース領域７ａおよびドレイン領域７ｂは高濃度のｎ型不純物を含み、半導体基板１はｐ型不純物を含んでいるものとする。
【００３６】
本実施形態の半導体装置においては、図１（ｂ）に示すように、コントロールゲート６、絶縁膜５、トンネル絶縁膜３および半導体基板１で構成されるＭＯＳキャパシタがヒステリシス特性を示す。ここで用いた半導体装置は、微粒子４をＣｏ3Ｏ4で構成したものであり、トンネル絶縁膜３の厚さが３ｎｍ、平面視した場合のコントロールゲート６の直径が１００μｍ、バイアス電圧に重畳された信号の周波数を１ＭＨｚである。なお、この半導体装置は、ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタ形状を有している。
【００３７】
上述のように、図１（ｂ）から、コントロールゲート６に負電圧を加えてから正電圧側にスイープした場合（図中左側の線）と、コントロールゲート６に正電圧を加えてから負電圧側にスイープした場合（図中右側の線）とでは、ＭＯＳキャパシタが異なるＣＶ特性を示すことが分かる。このヒステリシスは、微粒子４に電子が閉じこめられたために起こっていると考えられ、酸化物半導体からなる微粒子４が量子ドットとして機能していることを示す。
【００３８】
このことから、本実施形態の半導体装置２０は、酸化物半導体または酸化物導電体からなる微粒子４に電荷が保持されているか否かによって二通りのドレイン電流−ゲート電圧特性を示すと考えられる。すなわち、本実施形態の半導体装置は、電子が微粒子４に注入された状態と、電子が微粒子４から引き抜かれた状態とでは、異なるドレイン電流−ゲート電圧特性を示すと考えられる。そのため、本実施形態の半導体装置を以下のように動作させることにより、不揮発性メモリセルとして機能させることができる。
【００３９】
まず、微粒子４に電子を注入する際には、コントロールゲート６に正電圧を印加する。これにより、トンネル絶縁膜３を介した直接トンネリングにより微粒子４に注入される。これに対し、微粒子４から電子を引き抜く際には、コントロールゲート６に負電圧を印加する。微粒子４に電子が注入された状態とされていない状態を「１」または「０」のいずれかの情報に対応させれば、上述のようにして情報の書き込みが行われる。情報を読み出す際には、所定のゲート電圧を印加した状態でのドレイン電流をセンスアンプ（図示せず）で読み出す。なお、図１（ｂ）に示す特性を有する本実施形態の半導体装置では、動作電圧は−５Ｖ〜＋５Ｖの範囲であるが、動作電圧は絶縁膜５の厚さによって変化する。
【００４０】
以上で説明した本実施形態の半導体装置によれば、フローティングゲートとなる微粒子４が酸化数が増えにくい酸化物半導体または酸化物導電体で構成されているので、製造工程中に高温条件に晒されても微粒子４の酸化数が増えない。そのため、微粒子４が絶縁体に変化して電荷を保持できなくなったり、部分的に酸化されて微粒子４の電荷保持特性が変化したりするようなことがない。従って、本実施形態の半導体装置は、記憶装置としての信頼性が従来の半導体装置に比べて大幅に向上している。また、室温下で長期間経過しても微粒子４の酸化数が増えないので、本実施形態の半導体装置の実質的な製品寿命は、従来の半導体装置に比べて長くなっている。
【００４１】
なお、本実施形態の半導体装置がｐチャネル型である場合には、ホールの充放電が起こるため図１（ｂ）に示すＣＶ特性の＋と−が入れ替わるが、ｎチャネル型の場合と同様に不揮発性記憶装置として機能させることができる。
【００４２】
なお、本実施形態の半導体装置において微粒子４の直径は約６ｎｍであるが、これ以下であってもよい。また、微粒子４はナノメータサイズであれば（１０ｎｍ程度以下）量子
ドットとして機能することが可能である。微粒子４の形状は球状以外であってもよい。但し、各微粒子４は互いに間隔を空けて配置されることが好ましい。これにより、電荷が微粒子４毎に独立して保持され、トンネル絶縁膜３の一部にリークパスができても他の微粒子４の電荷は保持されるので記憶装置として機能を失うことがなくなっている。
【００４３】
また、本実施形態の半導体装置において、微粒子４はトンネル絶縁膜３の全面上に一定間隔で配置されるが、トンネル絶縁膜３の一部の領域上にのみ配置されていてもよく、配置間隔は必ずしも一定でなくてよい。
【００４４】
また、図１（ｃ）は、本実施形態の半導体装置の変形例を示す断面図である。図１（ａ）に示す本実施形態の半導体装置では、トンネル絶縁膜３および絶縁膜５は活性領域上の一部にのみ形成されていたが、図１（ｃ）に示すように、トンネル絶縁膜３および絶縁膜５が基板の全面上に形成されていてもよい。この場合、微粒子４が基板の全面上に分散されて配置されていても、コントロールゲート６の直下方に位置する微粒子４以外は装置の記憶動作に関係しないので、本変形例の半導体装置は、図１（ａ）に示す半導体装置と同様の機能を発揮することができる。
【００４５】
また、本実施形態の半導体装置に用いられる基板は、シリコン基板以外の化合物半導体基板であってもよい。
【００４６】
−半導体装置の製造方法−
図２（ａ）〜（ｅ）は、本実施形態の半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【００４７】
まず、図２（ａ）に示すように、アポフェリチン３２などのかご状タンパク質に金属イオン（または金属化合物イオン）３５を導入し、かご状タンパク質の内部に半導体または導体の金属酸化物からなる微粒子を形成させる。ここで、かご状タンパク質とは内部に微粒子を保持可能なタンパク質を意味し、アポフェリチンやＤｐｓタンパク質およびその類縁タンパク質、リステリアフェリチンの他、ＣＣＭＶ（Cowpea Chlorotic Mottle Virus
）などの球状ウイルスの外殻タンパク質、ＴＭＶ（Tobacco mosaic virus）などのチューブ状ウイルスの外殻タンパク質を含むものとする。いずれのかご状タンパク質を用いるかによって該かご状タンパク質の内部に形成される微粒子のサイズや形状は異なるが、図２に示す製造工程の流れはどのタンパク質を用いた場合でも同様である。以下では、かご状タンパク質としてアポフェリチンを用いる例を説明する。
【００４８】
アポフェリチン３２を用いる場合、アポフェリチン３２の外部部分と内部とを接続するチャネル３０を介して金属イオン３５を取り込ませる。アポフェリチン３２の内部では金属イオン３５が酸化された形で保持され、該金属の酸化物からなる直径約６ｎｍの微粒子（コア）４が形成される。本工程では、微粒子４を構成する金属酸化物が半導体または導電体となり、且つ酸化数が増えにくいものとなる金属を選定する。金属イオン３５としてはＩｎ、Ｓｎ、Ｃｏ、Ｆｅなどのイオンが用いられる他、ＩｎとＳｎなど２種類以上の金属イオンが用いられる場合もある。そして、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｃｏ3Ｏ4、Ｆｅ3Ｏ4お
よびＩｎxＳｎyＯ（ｘ＞０、ｙ＞０）など、絶縁膜５中少なくとも半導体装置の製造工程で加わる温度（最高で１０００℃程度）の下でも酸化数が増えない酸化物半導体または酸化物導電体が形成される条件で金属イオン３５をアポフェリチン３２に取り込ませる。本工程の具体的な条件などは、後に説明する。
【００４９】
次に、図２（ｂ）に示すように、１〜５×１０16ｃｍ-3程度のｐ型不純物を含む半導体基板１上に熱酸化によって厚さ１．５ｎｍ以上４ｎｍ以下のＳｉＯ2膜３ａを形成後、Ｌ
ＯＣＯＳ法によって素子分離用絶縁膜２を形成する。半導体基板１としては、例えばｐ型
で（１００）面を主面とするＳｉ基板が用いられる。素子分離用絶縁膜２はＳＴＩ（Shllow Trench Isolation）によって形成されてもよい。次に、基板を3-(2-aminoethyl amino)propyl-trimethoxy silane(APTMS)などのメトキシシラン化合物を用いて素子分離用絶縁膜２およびＳｉＯ2膜３ａの表面をアミノ基で修飾する。その後、素子分離用絶縁膜２お
よびＳｉＯ2膜３ａの上に先の工程で作製された、微粒子−アポフェリチン複合体３７を
２次元状に配置する。具体的な配置方法の一例を後述する。
【００５０】
次に、図２（ｃ）に示すように、オゾン存在下で基板に紫外線（ＵＶ）を１１０Ｗの強度で１０分間照射することによってアポフェリチン３２（外殻部分）およびＡＰＴＭＳ分子を除去する。これにより、基板上に中心間隔が約１２ｎｍで２次元状に配置された直径６ｎｍの微粒子４が残される。本工程ではオゾンを含む雰囲気中、波長がそれぞれ２５３．７ｎｍおよび１８４．９ｎｍのＵＶを１１０Ｗの強度４０分間基板に照射する。本工程は、水分を除去するために１１５℃で行う。なお、アポフェリチン３２等の有機物は、室温での酸素プラズマ処理や、窒素雰囲気下、４００℃での熱処理などによっても除去することができる。
【００５１】
続いて、図２（ｄ）に示すように、素子分離用絶縁膜２およびＳｉＯ2膜３ａの上（基
板全面上）にスパッタリングにより微粒子４を埋める厚さ１７ｎｍのＳｉＯ2膜５ａを形
成する。本工程のスパッタリングは、例えばＳｉＯ2をターゲットとして用い、室温下、
圧力が４．７〜５．３×１０-1Ｐａ、ＲＦ出力が２００Ｗ、アルゴン流量が１６ｓｃｃｍ（mL/min at 0℃、101.3kPa)、酸素流量が４ｓｃｃｍの条件で４分３０秒間行う。なお、ＳｉＯ2膜５ａの形成は、ＣＶＤ法により行ってもよい。
【００５２】
次に、図２（ｅ）に示すように、基板上にＡｌ膜を堆積する。続いて、フォトレジストマスクＰｒ１を用いて、ＳｉＯ2膜３ａ、絶縁膜５およびＡｌ膜のパターニングを行なっ
てトンネル絶縁膜３、電極間絶縁膜となる絶縁膜５およびＡｌからなるコントロールゲート６をそれぞれ形成する。その後、フォトレジストマスク及びコントロールゲート６をマスクとしてｎ型不純物イオンの注入を行なって、ソース領域７ａおよびドレイン領域７ｂを形成する。
【００５３】
その後、図２（ｆ）に示す工程で、周知の方法により、層間絶縁膜８の形成と、層間絶縁膜８へのコンタクトホール９の開口と、コンタクトホール９内へのタングステンの埋め込みによるタングステンプラグ１０の形成と、Ａｌ配線１１ａ、１１ｂの形成とを行なう。
【００５４】
図６は、図２（ｄ）に示す工程後にＡｌ膜を形成した状態の半導体装置を示すＴＥＭ写真図である。同図に示すように、かご状タンパク質を用いた以上の方法により、均一な大きさの微粒子４がトンネル絶縁膜（熱酸化膜）３上に配置できることが分かる。
【００５５】
本実施形態の半導体装置の製造方法では、アポフェリチンなどのかご状タンパク質を用いることで、均一な大きさの微粒子４を基板上に配置することが可能になっている。さらに、図２（ａ）に示す工程で、アポフェリチン３２内に酸化数が増えにくい、あるいは酸化数が増えない酸化物半導体または酸化物導電体からなる微粒子４を形成させている。これにより、基板上に配置された微粒子４の酸化数が半導体装置の製造中に増えることがなくなる。そのため、微粒子４を基板上に配置した後に従来必要であった微粒子４の還元工程を省くことができ、半導体装置の製造コストを低減することができる。また、ＳｉＯ2
などの酸素を含む絶縁膜５に埋め込まれた状態で加熱されても酸化数が増えない（酸化されない）ので、半導体記憶装置としての機能が製造工程中に損なわれることがなくなる。そのため、本実施形態の製造方法によれば、歩留まりよく半導体装置を製造することが可能となる。また、製造後の製品においても微粒子４の酸化数が増えにくくなっているので
、長期間品質が安定な半導体装置を製造することができる。
【００５６】
なお、本実施形態の製造方法では、かご状タンパク質を利用して均一な大きさの微粒子４を配置したが、これ以外の方法で酸化数が増えない、または酸化数が増えにくい酸化物半導体および酸化物導電体を配置しても、従来の製造方法に比べて工程数を削減する効果がある。
【００５７】
上述の説明では、アポフェリチンを用いて作製した微粒子４を有する半導体装置を製造する例を挙げたが、フェリチンの類縁タンパク質、Ｄｐｓタンパクおよびその類縁タンパク質を用いる場合でも同様の方法で量子ドットを有する半導体装置を製造することができる。Ｄｐｓタンパクを用いれば、直径約４ｎｍの微粒子を作製することができる。
【００５８】
−金属酸化物半導体の第１の導入方法−
図２（ａ）に示す工程の具体的な条件の例を以下に説明する。Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｃ
ｏ3Ｏ4、Ｆｅ3Ｏ4などの酸化物半導体やＩｎxＳｎyＯなどの酸化物導電体は、いずれもアポフェリチンの内部に形成可能であることが知られている。ここでは、一例として特開２００３−１１３１９８号公報に記載された、Ｃｏ3Ｏ4からなる微粒子４をアポフェリチン３２に形成させる方法を説明する。
【００５９】
図３は、本実施形態の半導体装置の製造方法のうち、金属イオン３５をアポフェリチン３２に取り込ませるための具体的な工程を示すフローチャート図である。
【００６０】
まず、図３に示すステップＳｔ１では、ＨＥＰＥＳ(2-〔4-(2-hydroxyetyl)-1-piperazinyl〕-ethanesulfonic acid)緩衝液、アポフェリチン溶液およびＣｏ2+イオン溶液（例
えば、硝酸コバルト溶液）の順に各溶液を混合することによって、反応溶液を調製する。ここで、アポフェリチンはウマの脾臓由来のフェリチンからコアを抜いたものを用いるが、ウマ以外の生物由来のものを使用してもよい。
【００６１】
本ステップでは、反応溶液のｐＨを７．５〜９．０程度の範囲に調製し、ＨＥＰＥＳの最終濃度が３０ｍＭ（ｐＨ８．８）に、アポフェリチンの最終濃度が０．５ｍｇ／ｍＬ（１μＭ）に、Ｃｏ2+イオンの最終濃度が５ｍＭになるように反応溶液を調製する。反応溶液のｐＨは、ｐＨ８．０〜８．８程度の範囲に調製しておくことが好ましい。Ｃｏ2+イオンの濃度は、アポフェリチン濃度に応じて調節され、アポフェリチン濃度の２０００〜３０００倍程度にすることが好ましい。
【００６２】
次に、図３に示すステップＳｔ２では、反応溶液に酸化剤（例えばＨ2Ｏ2）を添加する。この操作によって、アポフェリチン３２の内部（保持部）に水酸化コバルト（ＣｏＯ（ＯＨ））が導入され、コバルト−アポフェリチン複合体が生成される。本ステップでは、０．０１〜３％の過酸化水素水（Ｈ2Ｏ2）を、反応溶液中に含まれるコバルトイオンの１／２〜１等量程度加える。例えば、Ｃｏ2+イオンが２ｍＭの場合、Ｈ2Ｏ2の最終濃度が１ｍＭ〜２ｍＭの範囲内になるように添加する。なお、アポフェリチンの変性を防ぐために３０ｍＭ〜１５０ｍＭ程度になるようＮａ2ＳＯ4を反応溶液に加えてもよい。
【００６３】
なお、以上で説明したコバルト−アポフェリチン複合体を作製するための操作は、すべて室温、もしくはタンパク質が変性しない温度範囲にて、スターラーで攪拌しながら行なう。上記の反応は、室温であれば、数時間から数日間かかるが、反応溶液を４０℃〜７０℃程度に加温することによって、数時間から一晩（１２時間以下）で終了させることができる。
【００６４】
−金属酸化物半導体の第２の導入方法−
図２（ａ）に示す工程の具体的な条件の例として、酸化数が増えない酸化物半導体であるＩｎ2Ｏ3をアポフェリチンに導入する方法を説明する。
【００６５】
図４（ａ）〜（ｃ）は、金属酸化物半導体の第２の導入方法に用いられる溶液を示す図である。
【００６６】
本方法では、まず、図４（ａ）に示すように、濃度が５Ｍの塩酸、濃度が１Ｍのリン酸水素一ナトリウム溶液、濃度が１Ｍのアンモニア溶液、５０ｍｇ／ｍＬのＬ鎖アポフェリチン溶液、および濃度２０ｍＭの硫酸インジウム溶液を準備する。
【００６７】
次に、上述の各溶液とミリＱ水（超純水）とを適宜混合して、反応溶液を調製する。この反応溶液は、図４（ｂ）に示すように、５０ｍＭの塩酸と、２００ｍＭのリン酸水素一ナトリウムと、１６ｍＭのアンモニアと、０．１ｍｇ／ｍＬのＬ鎖アポフェリチンと、１ｍＭの硫酸インジウムとを含むものとする。本ステップにおいて、５００ｍＬの反応溶液を作成する際の各溶液の混合量は以下の通りである。なお、各溶液の混合量は、図４（ｃ）にも示している。
【００６８】
５０ｍＭ塩酸：５ｍＬ、１Ｍリン酸水素一ナトリウム溶液：１００ｍＬ、１Ｍアンモニア溶液：８ｍＬ、５０ｍｇ／ｍＬＬ鎖アポフェリチン溶液：１ｍＬ、２０ｍＭ硫酸インジウム溶液：２５ｍＬ、超純水：反応溶液が５００ｍＬになるように添加
次に、以上のようにして得られた反応溶液を室温（例えば２３℃）で５時間放置する。その後、反応溶液を８０００ｇで３０分間遠心して上清を採取する。
【００６９】
なお、この上清を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）用の観察グリッド上に載せて２％金グルコースで染色したところ、ほぼ全てのアポフェリチンの内部にインジウム酸化物からなる微粒子が形成されていることが観察された。
【００７０】
−微粒子−アポフェリチン複合体の基板上への配置方法−
図２（ｂ）に示す、微粒子−アポフェリチン複合体を基板上に配置する際の方法について説明する。微粒子−アポフェリチン複合体の配置方法としては、例えば特開２００３−８６７１５号公報の段落（００５０）〜（００７２）に記載された方法１〜５を用いることができる。以下、配置方法の一例について説明する。
【００７１】
図５（ａ）〜（ｅ）は、微粒子−アポフェリチン複合体の基板への配置方法の一例を示す図である。この配置方法は、元々特開平１１−４５９９０号公報に記載された方法である。
【００７２】
まず、図５（ａ）に示すように、内部に酸化物半導体または酸化物導電体からなる微粒子を保持するアポフェリチン（微粒子−アポフェリチン複合体３７）を分散した液体４１（本実施形態では、濃度４０ｍＭ、ｐＨ５．３のリン酸バッファ溶液と、濃度４０ｍＭの塩化ナトリウム水溶液との等量混合溶液に微粒子−アポフェリチン複合体３７を分散したもの）を用意する。
【００７３】
続いて、図５（ｂ）に示すように、ＰＢＬＨ（Poly-1-Benzil-L-Histidine)を注射器などで静かに液体４１の表面に展開する。これによって、液体４１の表面にＰＢＬＨからなるポリペプチド膜４３が形成される。この後、液体４１のｐＨを調節しておく。
【００７４】
次に、図５（ｃ）に示すように、時間の経過に伴って微粒子−アポフェリチン複合体３７がポリペプチド膜４３に付着し、微粒子−アポフェリチン複合体３７の２次元結晶ができる。これは、ポリペプチド膜４３が正電荷を帯びているのに対し、微粒子−アポフェリ
チン複合体３７の外表面は負電荷を帯びているからである。
【００７５】
次いで、図５（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2膜３ａが形成された半導体基板１を主面側
が下に向いた状態でポリペプチド膜４３上に載置し、ポリペプチド膜４３を半導体基板１に付着させる。
【００７６】
次に、図５（ｅ）に示すように、半導体基板１を取り出せば、ポリペプチド膜４３を介して微粒子−アポフェリチン複合体３７の２次元結晶が付着した半導体基板１を得ることができる。この方法によれば、微粒子−アポフェリチン複合体３７を整然と配置して２次元結晶を作製することができるので、一定間隔で配置された微粒子４を有する半導体装置を作製することができる。
【００７７】
また、本実施形態の製造方法では、図５（ａ）に示す工程の前に基板の上面全体をＡＰＴＭＳで処理する例を示したが、基板上面の一部分のみをＡＰＴＭＳで処理して位置選択的に微粒子−アポフェリチン複合体３７を配置することもできる。このため、基板のうち半導体装置が形成される領域上に微粒子４を一個ずつ配置することも可能であり、いわゆる単電子トランジスタを形成することもできる。
【００７８】
（第２の実施形態）
図７（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す半導体装置をVIb-VIb線で切断した場合の断面を示す図である。本実施
形態の半導体装置は、単電子トランジスタなど、微小なサイズのトランジスタとして機能する。
【００７９】
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の半導体装置は、Ｓｉからなる基板５１と、基板５１上に設けられたＳｉＯ2からなる埋め込み絶縁膜５３と、埋め込み絶縁膜５
３上に設けられ、互いに間隔を空けて配置されたＳｉなどの半導体からなるソース領域５７ａおよびドレイン領域５７ｂ（不純物拡散層）と、埋め込み絶縁膜５３の上であってソース領域５７ａとドレイン領域５７ｂとの間に、ソース領域５７ａおよびドレイン領域５７ｂに接しないように配置された酸化数が増えない酸化物半導体からなる微粒子５５と、埋め込み絶縁膜５３の上に設けられ、ソース領域５７ａ、ドレイン領域５７ｂ、および微粒子５５を埋める絶縁膜５９と、絶縁膜５９上に設けられ、微粒子５５の直上方に配置されたＡｌなどの導電体からなるゲート電極６３と、ソース領域５７ａの上に設けられ、絶縁膜５９を貫通するソース電極６１ａと、ドレイン領域５７ｂの上に設けられ、絶縁膜５９を貫通するドレイン電極６１ｂとを備えている。
【００８０】
ソース領域５７ａ、ドレイン領域５７ｂは、共に濃度が１×１０19ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3程度のｎ型不純物を含んでいる。ソース領域５７ａのうちソース電極６１ａと接する部分の厚み、およびドレイン領域５７ｂのうちドレイン電極６１ｂと接する部分の厚みは共に２０ｎｍ程度である。また、ソース領域５７ａ、ドレイン領域５７ｂのうち微粒子５５近傍の部分の厚みは１０ｎｍ程度である。
【００８１】
微粒子５５は、例えば直径６ｎｍの球状であり、Ｃｏ3Ｏ4、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＩｎxＳｎyＯ（ｘ＞０、ｙ＞０）、Ｆｅ3Ｏ4などから構成される。また、微粒子５５は、ソー
ス領域５７ａおよびドレイン領域５７ｂから絶縁膜５９を挟んでそれぞれ約３ｎｍ離れた位置に配置されている。
【００８２】
絶縁膜５９は、例えばＳｉＯ2からなり、ゲート電極６３の下に位置する部分の厚みが
１８ｎｍ、すなわち微粒子５５の直径の３倍程度となっている。
【００８３】
図７に示す半導体装置では微粒子５５が１個のみ配置されているが、埋め込み絶縁膜５３上や、ソース領域５７ａおよびドレイン領域５７ｂ上に複数個の微粒子５５が配置されていてもよい。この場合、装置の動作時に電荷を保持するのはゲート電極６３の直下に設けられた微粒子５５のみである。また、ゲート電極６３の直下に複数個の微粒子５５が配置されていてもよいが、単電子デバイスとして動作させるためには、ゲート電極６３の直下に微粒子５５が１つのみ設けられることが特に好ましい。
【００８４】
また、ソース領域５７ａおよびドレイン領域５７ｂは、微粒子５５に近づくにつれて短手方向の縦断面が小さくなる形状となっている。
【００８５】
次に、本実施形態の半導体装置の動作を説明する。
【００８６】
微粒子の径がナノメータサイズにまで微小化されると、微粒子中で電子が存在する準位が量子化される。
【００８７】
本実施形態の半導体装置において、微粒子５５の直径は６ｎｍであるので、微粒子５５中で電子が存在する準位は量子化されていることになる。また、絶縁膜５９のうち微粒子５５とソース領域５７ａおよびドレイン領域５７ｂとの間に位置する部分の厚さは約３ｎｍと、トンネリングが可能な厚みになっている。また、本実施形態の半導体装置は、ソース電極６１ａを接地し、ドレイン電極６１ｂに例えば１０ｍＶ程度の微小な電圧を固定的に印加しておく。この状態で、微粒子５５内の化学ポテンシャルをゲート電圧で制御すれば、ゲート電圧が微粒子５５の離散的な量子準位に一致した時にのみ、トンネリングによって電子の移動が起こる。微粒子５５には複数の準位が存在するので、ゲート電圧を上げていくと、飛び飛びに複数回電流が流れる。この現象はクーロン振動と呼ばれる。すなわち、本実施形態の半導体装置は、微粒子５５のクーロン振動を利用して単電子トランジスタとして機能できる。
【００８８】
なお、このクーロン振動は微粒子５５の径の大きさや容量に依存するが、例えば１０Ｋくらいの温度以下で観測できるので、本実施形態の半導体装置も低温で動作させることが好ましい。
【００８９】
本実施形態の半導体装置では、微粒子５５が酸化数が増えない、あるいは製造工程中に酸化数が増えない程度に酸化数が増加しにくい材料で構成されているので、熱処理などを施しても微粒子５５が電荷保持特性を失うことがない。また、微粒子５５が酸素分子を含む絶縁膜５９中に長期間配置されていても酸化数が増加することもない。そのため、本実施形態の半導体装置は、信頼性の高い単電子デバイスとして安定に動作させることができる。
【００９０】
なお、本実施形態の半導体装置において、絶縁膜５９のうち微粒子５５とソース領域５７ａおよびドレイン領域５７ｂとの間に位置する部分の厚さはトンネリングが起こる厚さであればよいので、３ｎｍに限らず、１．５ｎｍ以上４ｎｍ以下であれば好ましい。
【００９１】
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。図８（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【００９２】
まず、図８（ａ）に示すように、Ｓｉなどの半導体からなる基板５１と、基板５１上に設けられたＳｉＯ2などからなる埋め込み絶縁膜５３と、埋め込み絶縁膜５３上に設けら
れたｎ型不純物を含むＳｉなどからなる半導体層７０とを備えたＳＯＩ基板を準備する。
【００９３】
次に、図８（ｂ）に示すように、電子線（ＥＢ）描画によって半導体層７０にパターン
を形成し、ソース領域５７ａおよびドレイン領域５７ｂを形成する。その後、埋め込み絶縁膜５３の上であってソース領域５７ａとドレイン領域５７ｂとの間の位置に、酸化数が増えない酸化物半導体からなる直径が例えば６ｎｍの微粒子５５を配置する。本工程では、第１の実施形態と同様の方法により微粒子５５を埋め込み絶縁膜５３上に配置する。すなわち、微粒子５５−アポフェリチン複合体を埋め込み絶縁膜５３上に配置した後、オゾン存在下でＵＶ照射などを行うことにより、微粒子５５−アポフェリチン複合体のうちタンパク質からなる外殻部分を除去し、微粒子５５を埋め込み絶縁膜５３上に残す。この方法を用いれば、基板上面を前処理することで埋め込み絶縁膜５３の上に微粒子５５を１個のみ配置することも可能となる上、微粒子５５のサイズを所定のサイズに精密に制御することが可能となる。ただし、本工程では微粒子５５を複数個設けることもできる。なお、微粒子５５の材料としては、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｃｏ3Ｏ4、Ｆｅ3Ｏ4、ＺｎＯなどが用
いられる。
【００９４】
次に、図８（ｃ）に示すように、ＣＶＤ法などにより基板上にＳｉＯ2を堆積して微粒
子５５、ソース領域５７ａ、およびドレイン領域５７ｂを埋める厚さ１８ｎｍの絶縁膜５９を形成する。その後、フォトリソグラフィおよびエッチングなどによって絶縁膜５９に、ソース領域５７ａを露出する開口とドレイン領域５７ｂを露出する開口とをそれぞれ形成する。続いて、スパッタリングなどにより導電体（例えばＡｌ）からなり、これらの開口を埋めるソース電極６１ａおよびドレイン電極６１ｂを形成する。次に、スパッタリングなどにより、絶縁膜５９のうち微粒子５５の直上方の領域上にゲート電極６３を形成する。以上のようにして、本実施形態の半導体装置が作製される。
【００９５】
本実施形態の方法によれば、図８（ｂ）に示す工程で、埋め込み絶縁膜５３上に酸化数の増えない、または少なくとも半導体装置を形成する際の熱処理条件下では酸化数が増えない酸化物半導体からなる微粒子５５を配置する。そのため、微粒子５５の形成後に熱が加わっても酸化数の増加によって微粒子５５の電気的特性が変化しないので、歩留まり良く本実施形態の半導体装置を製造することができる。特に、上述のアポフェリチンを用いた方法によれば、量子ドットとして機能できる大きさ（例えば直径１０ｎｍ以下）の微粒子５５を精度良く形成することができる。また、アポフェリチンに保持される微粒子の大きさは常に一定とすることができるので、半導体装置ごとに微粒子５５のサイズがばらつくことがない。従って、半導体装置ごとに生じる品質のばらつきを小さく抑えることができる。
【００９６】
なお、本実施形態ではアポフェリチンを用いて直径が６ｎｍの微粒子５５を形成する方法を説明したが、フェリチンの類縁タンパク質、Ｄｐｓタンパクおよびその類縁タンパク質に微粒子を保持させることにより、本実施形態とはサイズが異なる微粒子を形成することもできる。
【００９７】
また、本実施形態の半導体装置では、微粒子を酸化物半導体で構成する例を示したが、酸化数が増えない酸化物導電体で微粒子を構成しても単電子トランジスタを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上説明したように、量子ドットを用いた本発明の半導体装置は、半導体記憶装置や単電子デバイスとしてコンピュータその他の電子機器に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す半導体装置のドレイン電流−ゲート電圧特性を示す図であり、（ｃ）は、第１の実施形態の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法のうち、金属イオンをアポフェリチンに取り込ませるための具体的な工程を示すフローチャート図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、金属酸化物半導体の第２の導入方法に用いられる溶液を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は、微粒子−アポフェリチン複合体の基板への配置方法の一例を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る半導体装置の一部を示すＴＥＭ写真図である。
【図７】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す半導体装置をVIb-VIb線で切断した場合の断面を示す図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｅ）は、従来の半導体記憶装置の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１００】
１                  半導体基板
２                  素子分離用絶縁膜
３                  トンネル絶縁膜
３ａ、５ａ          ＳｉＯ2膜
４                  微粒子
５                  絶縁膜
６                  コントロールゲート
７ａ                ソース領域
７ｂ                ドレイン領域
８                  層間絶縁膜
９                  コンタクトホール
１０                タングステンプラグ
１１ａ、１１ｂ      Ａｌ配線
２０                半導体装置
３０                チャネル
３２                アポフェリチン
３５                金属イオン
３７                微粒子−アポフェリチン複合体
４１                液体
４３                ポリペプチド膜
５１                基板
５３                絶縁膜
５５                微粒子
５７ａ              ソース領域
５７ｂ              ドレイン領域
５９                絶縁膜
６１ａ              ソース電極
６１ｂ              ドレイン電極
６３                ゲート電極
７０                半導体層
【図１】
2006269660.tif 000003
【図２】
2006269660.tif 000004
【図３】
2006269660.tif 000005
【図４】
2006269660.tif 000006
【図５】
2006269660.tif 000007
【図７】
2006269660.tif 000008
【図８】
2006269660.tif 000009
【図９】
2006269660.tif 000010
【図６】
2006269660.tif 000011